DE4006454A1

DE4006454A1 - Stark daempfendes messteil und ultraschallmessvorrichtung

Info

Publication number: DE4006454A1
Application number: DE4006454A
Authority: DE
Inventors: Misugu Kuramochi; Minour Imai
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1990-03-01
Publication date: 1990-12-13
Also published as: GB2232487A; KR910001359A; GB9004008D0; GB2232487B; US5078013A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem stark dämpfenden Meßteil, das zum Einsatz beim Messen der Dicke, inneren Poren, der Druckfe stigkeit usw. von Betonkonstruktionen mittels der Ultraschall meßmethode geeignet ist.

Auch bezieht sich die Erfindung auf eine Ultraschallmeßvorrich tung zur Verwendung bei der Qualitätskontrolle und der zerstören den Prüfung von Betonkonstruktionen oder der zerstörungsfreien Prüfung von Holz, faserverstärkten Kunststoffen (FRP) usw. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Ultraschallmeß vorrichtung unter Verwendung eines stark dämpfenden Meßteils bzw. einer Sonde, welches die Fähigkeit hat, die Schallgeschwindigkeit der Querwelle genau zu messen. Auch bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung unter Verwendung eines stark dämpfenden Meßteils, welche die Fähigkeit hat, die Dicke von einem Prüfge genstand und die inneren Hohlräume bzw. Poren desselben genau zu messen.

Auf dem Gebiet des Baugewerbes und der Ingenieurtechnik gibt es verschiedene Meßarten, wie das Messen der Dicke innerer Hohlräume bzw. Poren, der Druckfestigkeit usw., von Beton oder anderen Materialien, und diese Meßmethoden wurden zur strukturellen Prüfung, zur Ausführung von Kontrollen oder zur Qualitätskontrol le von Betonkonstruktionen oder Ingenieurkonstruktionen durchge führt. Diese Meßverfahren erfolgen im allgemeinen zerstörungsfrei unter Verwendung von Ultraschallwellen. Übliche Ultraschallsonden (Ultraschallsensoren) und Ultraschallmeßvorrichtungen bringen jedoch die nachstehend angegebenen Schwierigkeiten mit sich.

Zuerst werden Ultraschallmeßteile üblicher Art erläutert. Eine typische, übliche Ultraschallsonde bzw. ein Ultraschallmeßteil weist einen Wandler 72 auf, der an einer Vorderplatte 71 befestigt ist, die ihrerseits fest mit einer Öffnung verbunden ist, die in einem Metallgehäuse 70 vorgesehen ist (siehe Fig. 6). Beim Arbeiten wird ein Steckteil 73, das an dem Gehäuse 70 angebracht ist, mit einem elektrischen Impuls von einer Ultra schallprüfvorrichtung (nicht gezeigt) versorgt, und dieser elektrische Impuls wird über den Wandler 72 ausgesendet, nachdem er in einen Ultraschallimpuls umgewandelt wurde. Die übliche, in Fig. 6 gezeigte Sonde jedoch bringt die Schwierigkeit mit sich, daß, wenn ein elektrischer Impuls anliegt, die Übertragungswelle eine lange Zeitperiode lang oszilliert, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Daher überlagern sich die reflektierte Welle und die Übertragungswelle bzw. Sendewelle übereinander, so daß es äußerst schwierig wird, die reflektierte Welle von der Sendewelle deutlich zu unterscheiden.

Das übliche Ultraschallmeßverfahren und die Vorrichtung hierfür bringen die nachstehend angegebenen Schwierigkeiten mit sich.

Die Messung der Druckfestigkeit von Beton erfolgte bisher unter Verwendung einer Anordnung, die beispielsweise in Fig. 8(a) gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8(a) ist ein Sendemeßteil 74, das einen Ultraschallimpuls abgibt, auf einer Fläche des Betons 75 angeordnet, dessen Druckfestigkeit zu messen ist, und ein Empfangsmeßteil 76, das die durch den Beton 75 übertragene Welle erfaßt, ist auf der anderen Fläche des Betons 75 angeordnet. Der Ultraschallimpuls, der von dem Sendemeßteil 74 übertragen wird, wird teilweise durch den Beton 75 übertragen und teilweise im Innern desselben reflektiert. Die übertragene Welle, die mittels des Empfangsmeßteils 76 erfaßt wird, und die Wellenform des Empfangssignals werden auf einem Oszilloskop (nicht gezeigt) angezeigt. Die Ultraschalldaten, die man direkt von der Wellen form des Empfangssignals erhält, sind eine Bewegungsperiode der übertragenen Welle. Von der Bewegungs- bzw. Wanderperiode und der Dicke des Betons 75, die man zuvor mittels einer weiteren Methode ermittelt hat, erhält man die Schallgeschwindigkeit des Ultra schallimpulses, und die Druckfestigkeit des Betons 74 läßt sich auf der Basis der erhaltenen Schallgeschwindigkeit und einer zuvor erstellten Eichkurve bestimmen.

Die Ultraschallwellen, die bei der Ultraschallprüfung eingesetzt werden, umfassen Längswellen und Querwellen, und die die Schallgeschwindigkeit der Querwelle bzw. Schubwelle wiedergebende Information ist insbesondere wesentlich zum Ermitteln des Elastizitätsmoduls, der eine bedeutende Einflußgröße für die Druckfestigkeit darstellt. Daher wird ein Querwellenmeßteil eingesetzt, um die Druckfestigkeit zu messen. Bei dem Querwellen meßteil 77 jedoch werden nicht nur eine Querschwingungskomponente in diametraler Richtung des Wandlers, sondern auch eine Dicken schwingungskomponente in Richtung der Dicke des Wandlers erzeugt, wie dies in Fig. 8(b) gezeigt. ist. Somit wird nicht nur infolge der Querverformung eine Querwellenkomponente erzeugt, sondern zugleich wird auch eine Längswellenkomponente infolge der Dickenverformung erzeugt. Auf dem Oszilloskop wird daher eine Wellenform angezeigt, bei der die reflektierte Querwellenkompo nente 78 und die reflektierte Längswellenkomponente 79 in Interferenz miteinander stehen, wie dies beispielsweise in Fig. 8(c) gezeigt ist. Daher ist es äußerst schwierig, nur die Wanderungsperiode der Querwelle zu erfassen. Es ist noch zu erwähnen, daß die Abszissenachse in Fig. 8(c) die Zeit wieder gibt. Somit hat das übliche Querwellenmeßteil die Schwierigkeit, daß es schwierig ist, die Schallgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit zu messen, und daß es auch schwierig ist, nur die Querwelle bzw. Schubwelle zu analysieren.

Bei dem üblichen Verfahren zum Messen der Druckfestigkeit wird häufig das Einzelimpuls-Erregersystem eingesetzt. Da es jedoch bei dem Einzelimpuls-Erregersystem schwierig ist, eine Ultra schallwelle zu erzeugen, die in effizienter Weise durch den Beton geht, sind die Ultraschalldaten, die man bei dem Empfang der übertragenen Ultraschallwelle erhält, leicht unzuverlässig. Da zusätzlich die üblichen Sonden bzw. Meßteile frei schwingen können, ist es nur möglich, die Schallgeschwindigkeit von der empfangenen Welle zu messen, und es ist schwierig, die weiteren, nützlichen Ultraschalldaten zu messen, wie die Frequenz der empfangenen Welle und die Amplitude der empfangenen Impulse. Da die Druckfestigkeit von Beton bisher aus der Ausbreitungsge schwindigkeit auf die vorstehend beschriebene Weise abgeschätzt wurde, sind beim Stand der Technik starke Abweichungen, d. h. 100 kg/cm² in Kauf zu nehmen, die man möglicherweise nicht tolerieren kann.

Als ein Verfahren zur Messung der Druckfestigkeit von Beton ist ein Verfahren bekannt, bei dem in Kombination die Schallgeschwin digkeitsmeßmethode und der Schmidtsche Prallhammer eingesetzt werden. Dieses Verfahren stellt jedoch eine komplizierte Technik dar, und es gibt bisher keine zweckmäßige Gleichung, um die Druckfestigkeit des Betons annäherungsweise zu ermitteln oder abzuschätzen.

Nachstehend wird ein übliches Verfahren zum Messen der Dicke einer Betonplatte und von Innenporen sowie die hierbei aufgefun denen Schwierigkeiten beschrieben.

Die Messung der Dicke einer Betonplatte und der Innenporen erfolgte bisher mittels einer Einzelmeßteiltechnik oder einer Doppelmeßteiltechnik. Die Einzelmeßteiltechnik ist ein Prüfver fahren, bei dem ein Ultraschallimpuls von einer Sonde 80 als Meßteil zu einer Betonplatte 81 als Prüfgegenstand abgegeben wird, und die reflektierte Welle vom Innern der Betonplatte 81 wird mit Hilfe derselben Sonde 80 empfangen, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Die Wellenform des empfangenen Signals wird auf einer Anzeigeeinrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise einem Oszilloskop, angezeigt. Somit erhält man die Bewegungsperiode des Ultraschallimpulses aus der angezeigten Wellenform, und die Position eines inneren Hohlraums 82 oder der Dicke der Betonplat te 81 wird auf der Basis des Zusammenhangs zwischen der erhalte nen Bewegungsperiode und einer Bezugsschallgeschwindigkeit der Ultrschallwelle in der Betonplatte 81 bestimmt, die man mittels einer anderen Methode erhalten hat. Bei der Messung der Dicke der Betonplatte 81 oder der Position des inneren Hohlraums 82 mittels der beschriebenen Einzelsondentechnik bereitet jedoch im Hinblick auf die genaue Unterscheidung der reflektierten Welle Schwierig keiten, da die übliche Sonde die Erscheinung hat, daß die Übertragungswelle für eine lange Zeitperiode oszilliert, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist, und somit wird der übertragene bzw. abgegebene Impuls in unerwünschter Weise mit der reflektierten Welle vom Boden der Betonplatte 81 oder dem inneren Hohlraum 82 überlagert.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Messung der Dicke des Betons oder eines inneren Hohlraums mit Hilfe des Verfahrens, das allgemein als Doppelsondenmeßtechnik bekannt ist. Eine Sendemeß teil 83 und ein Empfangsmeßteil 84 sind auf derselben Fläche angeordnet. Ein Ultraschallimpuls wird von dem Meßteil 93 abgegeben, un die reflektierte Welle vom Boden des Betons 85 der dem inneren Hohlraum 86 wird mit Hilfe des Empfangsmeßteils 84 erfaßt. Die Wellenform der reflektierten Welle wird auf einer Anzeigeeinrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise ein Oszillos kop, angezeigt, und die Bewegungsperiode des Ultraschallimpulses wird von der angezeigten Wellenform abgelesen, wodurch die Dicke des Betons 85 oder die Lage des inneren Hohlraums 86 gemessen wird. Bei der üblichen Ultraschallmeßvorrichtung und den hierbei eingesetzten Sonden jedoch wird die Frequenzkomponente der verwendeten Ultraschallwelle durch das Leistungsverhalten der jeweils gesonderten Ultraschallmeßvorrichtung ohne Abstimmung bestimmt. Daher gibt es Fälle, bei denen die Messung aufgrund von Dämpfungsstreuungen des Ultraschallimpulses nicht effektiv sein kann, was von dem Zement, dem Aggregatgehalt und der Art abhängig ist. Da darüber hinaus der übertragene Impuls eine lange Zeitperiode lang oszilliert, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist, kann die Messung nicht mit hoher Genauigkeit erfolgen.

Zur Messung der Dicke eines Prüfgegenstandes ist es daher notwendig, eine bestimmte Empfangswelle zu erhalten. Bei dem üblichen Meßteil jedoch sind die Ausbreitungscharakteristika der Ultraschallwelle in dem Gegenstand nicht immer zufriedenstellend, und daher ist es schwierig, eine bestimmte Empfangswelle zu erhalten. Daher läßt sich die Messung nur mit Schwierigkeiten verbunden durchführen, und es ist unmöglich, die Messung mit hoher Genauigkeit vorzunehmen.

Zur Messung der Dicke ist eine Bezugsschallgeschwindigkeit bei jedem einzelnen Prüfgegenstand erforderlich, und es ist üblich, eine Bezugsschallgeschwindigkeit eines Prüfgegenstandes vor der Messung der Dicke desselben zu messen. Bisher stellt es aber eine Schwierigkeit dar, zwei Meßteile zur Übertragung und zum Empfang für die Messung der Bezugsschallgeschwindigkeit in geeigneter Weise anzuordnen. Genauer gesagt erfolgt die Messung der Bezugsschallgeschwindigkeit im allgemeinen mittels der Übertra gungsmethode unter Verwendung von zwei Sonden, und daher ist es erforderlich, übliche Sonden für das Senden und Empfangen jeweils auf der Rückseite und der Vorderseite eines Prüfgegenstandes anzuordnen. Wenn es daher unmöglich ist, einen ausreichend großen Raum zur Anordnung des Empfangsmeßteiles und einer für die Bedienung der Vorrichtung bestimmten Bedienungsperson bereitzu stellen, läßt sich die Messung nicht vornehmen.

Zusätzlich muß ein Prüfgegenstand eine Öffnung haben, um die Messung der Bezugsschallgeschwindigkeit mittels der Übertragungs methode und die Messung der Dicke mittels der Echo- oder der Reflexionsmethode vornehmen zu können. Jedoch haben viele Gegenstände, deren Dicke zu messen ist, keine Öffnungen. Daher ist es in vielen Fällen unmöglich, die Bezugsschallgeschwindig keit zu messen.

Daher gibt es bei den üblichen Meßteilen (Sonden), den Ultra schallmeßmethoden und den Vorrichtungen hierfür viele Schwierig keiten.

Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten beim Stand der Technik zielt die Erfindung darauf ab, ein stark dämpfendes Meßteil bereitzustellen, welches die Fähigkeit hat, daß man hierbei nicht nur die Schallgeschwindigkeitsinformation, sondern auch weitere Ultraschallinformationen erhält, die sich für die Ultraschallprüfung nutzen lassen, wie die Frequenz und die Amplitude der empfangenen Welle, und das die Fähigkeit hat, die Genauigkeit der Ultraschallprüfung von Konstruktionen aus Beton oder anderen Materialien zu verbessern.

Die Erfindung zielt ferner darauf ab, eine Ultraschallmeßvorrich tung unter Verwendung eines stark dämpfenden Meßteiles bereitzu stellen, die die Fähigkeit hat, die Bewegungsperiode der Schubwelle bzw. Querwelle mit hoher Genauigkeit zu messen.

Ferner soll nach der Erfindung eine Ultraschallmeßvorrichtung unter Verwendung eines stark dämpfenden Meßteils bereitgestellt werden, welche die Fähgkeit hat, die Dicke eines Prüfgegenstandes und die Lage eines inneren Hohlraumes in dem Gegenstand genau zu messen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung umfaßt somit Merkmale über die Konstruktion, die Kombinationen von Elementen und die Anordnung von Teilen, wie dies nachstehend als Beispiele ausgeführt wird, und die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten beschränkt.

Nach der Erfindung zeichnet sich ein stark dämpfendes Meßteil durch einen Wandler aus, der einen daran angebrachten Niederfre quenzdämpfer hat.

Die erste Ultraschallmeßvorrichtung nach der Erfindung weist ein Sendemeßteil, das von einem stark dämpfenden Meßteil einschließ lich eines Wandlers, der einen daran angebrachten Niederfrequenz dämpfer hat, gebildet wird, ein Empfangsmeßteil, das von einem stark dämpfenden Meßteil mit einem Wandler, der einen daran angebrachten Niederfrequenzdämpfer hat, gebildet wird, eine erste Signalumwandlungseinerichtung zum Umwandeln des Ausgangs des Empfangsmeßteils in ein Frequenzspektrum, eine Signalverarbei tungseinrichtung zum Ausfiltern einer gewünschten Frequenzkompo nente aus dem Ausgang der ersten Signalumwandlungseinrichtung, eine zweite Signalumwandlungseinrichtung zum Umwandeln des Ausgangs der Signalverarbeitungseinrichtung zu einem Zeitfolgen signal, und eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen des Ausgangs der zweiten Signalumwandlungseinrichtung auf.

Die zweite Ultraschallmeßvorrichtung nach der Erfindung weist ein stark dämpfendes Niederfrequenzlängswellenmeßteil, das von einem stark dämpfenden Meßteil mit einem Wandler gebildet wird, der einen daran angebrachten Niederfrequenzdämpfer hat, um die Übertragung und den Empfang eines Ultraschallimpulses in Form eines modulierten Impulses vornehmen zu können, eine Übertra gungseinrichtung mit variabler Frequenz für die kontinuierliche Änderung der Übertragungsfrequenz des Ultraschallimpulses und eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Wellenform eines mittels des stark dämpfenden Niederfrequenzlängswellenmeßteils empfange nen Signals auf.

Das stark dämpfende Meßteil nach der Erfindung ist daher derart ausgelegt, daß nicht benötigte niederfrequente Schwingungen des Ultraschallwandlers mit Hilfe des Dämpfers ausgefiltert werden. Daher schwingt die Übertragungswelle nicht für eine lange Zeitperiode, und es ist daher möglich, einen deutlichen Unter schied zwischen der Übertragungswelle und der Empfangswelle zu haben. Somit läßt sich ein innerer Hohlraum auf effektive Weise einfach mittels des Reflexionsverfahrens feststellen, das mittels eines einzigen Meßteils durchgeführt wird, das beispielsweise in Fig. 9 gezeigt ist. Da zusätzlich die Wellenform der empfangenen Welle genau von der Wellenform der Übertragungswelle unterschie den werden kann, wird es möglich, Ultraschallinformationen, wie die Frequenz und die Amplitude der empfangenen Welle, zu erhalten. Da ferner ein Niederfrequenzdämpfer an dem Wandler vorgesehen ist, können dem Meßteil Breitbandfrequenzeigenschaften verliehen werden, so daß das Meßteil äußerst zweckmäßig für eine Ultraschallprüfeinrichtung ist, bei der die Übertragungsfrequenz variabel ist.

Gemäß der ersten Ultraschallmeßvorrichtung nach der Erfindung lassen sich die Längswellen- und Querwellenkomponenten genau voneinander durch Umwandeln eines zeitseriellen Signales trennen, das man bei dem Empfangsmeßteil in einem Frequenzspektrum erhält, und daher ist es möglich, auf einfache Weise nur die Querwellen komponente herauszuziehen. Somit lassen sich die Schallgeschwin digkeit und die Bewegungsperiode der Querwelle genau messen.

Bei der zweiten Ultraschallmeßvorrichtung nach der Erfindung ist die Übertragungsfrequenz des Ultraschallimpulses variabel, und daher ist es möglich, in wirksamer Weise eine Messung mittels eines Ultraschallimpulses vorzunehmen, der eine optimale Übertragungsfrequenz hat, die unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweils zu prüfenden Gegenstandes bestimmt wird. Da ein stark dämpfendes Niederfrequenzlängswellenmeßteil eingesetzt wird und der Ultraschallimpuls in Form eines modulier ten Impulses übertragen wird, ist es möglich, die Zeitperiode abzukürzen, während der der übertragene Impuls oszilliert. Die übertragene Welle und die reflektierte Welle lassen sich daher genau voneinander trennen, und es ist möglich, die Meßgenauigkeit in Form eines synergistischen Effekts der hierbei erhaltenen Vorteile zu verbessern.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausfüh rungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevor zugten Ausführungsform eines stark dämpfenden Meßteils nach der Erfin dung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht zur Verdeut lichung der Messung der Schallge schwindigkeit der Querwelle bei einer Ultraschallmeßvorrichtung unter Ver wendung des stark dämpfenden Meßteils nach der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Verdeut lichung der Messung der Dicke von Beton und eines inneren Hohlraums in demselben mittels einer Ultraschall meßvorrichtung unter Verwendung des stark dämpfenden Meßteils nach der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Mes sung für die Druckfestigkeit von Beton unter Verwendung des stark dämpfenden Meßteils nach der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Verdeut lichung der Messung der Dicke von Beton unter Verwendung des stark dämpfenden Meßteils nach der Erfin dung,

Fig. 6 eine schematische Ansicht zur Verdeut lichung eines üblichen Meßteils bzw. einer üblichen Sonde,

Fig. 7 ein Diagramm der Wellenform der Über tragungswelle, die von dem üblichen Meßteil nach Fig. 6 übertragen wird,

Fig. 8 eine schematische Ansicht zur Verdeut lichung der Messung der Druckfestig keit von Beton auf übliche Weise,

Fig. 9 eine schematische Ansicht zur Verdeut lichung der Messung der Dicke von Beton und eines inneren Hohlraums desselben mittels einer Einsondenmeß technik, und

Fig. 10 eine schematische Ansicht zur Verdeut lichung der Messung der Dicke von Beton und eines inneren Hohlraum in demselben mittels der Doppelmeßtech nik.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nachstehend bevor zugte Ausführungsformen nach der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt die Auslegung einer bevorzugten Ausführungsform eines stark dämpfenden Meßteils nach der Erfindung, wobei mit der Bezugsziffer 1 ein Metallgehäuse, mit der Bezugsziffer 2 eine Vorderplatte, mit der Bezugsziffer 3 ein Wandler, mit der Bezugsziffer 4 ein Niederfrequenzdämpfer und mit 5 ein Stecker teil bezeichnet ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist die Vorderplatte 3 fest an einer in dem Metallgehäuse 1 vorgesehenen Öffnung angebracht, und der Wandler ist fest an der Vorderplatte 2 angebracht. Der Nieder frequenzdämpfer 4 ist an der Fläche des Wandlers 3 angebracht, die von der Vorderplatte 2 abgewandt ist. Das Steckerteil 5 ist mit einer Ultraschallmeßvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, so daß ein elektrischer Impuls von der Ultraschallmeßvorrichtung dem Wandler 3 zugeleitet wird und dieser dann nach der Umwand lung in einen Ultraschallimpuls abgegeben wird.

Der Niederfrequenzdämpfer ist vorgesehen, um unnötige niederfre quente Schwingungen des Wandlers 3 zu absorbieren. Der Nieder frequenzdämpfer 4 kann aus irgendeinem geeigneten Harzmaterial ausgebildet sein. Bevorzugt wird jedoch Wolframpulver verwendet, das mit einem Harzmaterial unter einem vorbestimmten Druck verdichtet ist. Obgleich nur Harzmaterial für die Dämpfung der Schwingung des Wandlers 3 ausreichend ist, läßt sich die Dämp fungswirkung durch die Vermischung mit dem Wolframpulver verbes sern. Es hat sich bestätigt, daß ein solches Mischmaterial insbesondere wirksam ist, um die Niederfrequenzkomponente der Ultraschallwellen zu dämpfen. Natürlich kann irgendein anderes Material eingesetzt werden, das die Fähigkeit hat, unnötige Schwingungen des Wandlers 3 zu dämpfen. Obgleich bei der bevor zugten Ausführungsform nach Fig. 1 der Niederfrequenzdämpfer 4 an dem Wandler 3 angebracht ist, kann dieser derart vorgesehen sein, daß er das Metallgehäuse 1 ausfüllt.

Dank der zuvor beschriebenen Auslegungsform werden unnötige niederfrequente Schwingungen des Wandlers 3 durch den Niederfre quenzdämpfer absorbiert, und daher besteht nicht die Gefahr, daß die Übertragungswelle während einer langen Zeitperiode entspre chend Fig. 7 schwingt. Somit lassen sich die Übertragungswelle und die empfangene Welle deutlich voneinander scheiden, und daher ist es möglich, nicht nur die Schallgeschwindigkeit im Innern des Betons zu erhalten, sondern auch zahlreiche Ultra schallinformationen, die für die Ultraschallmessung nutzbar sind, wie die Frequenz und die Amplitude der empfangenen Welle.

Nachstehend erfolgt die Beschreibung einer Ultraschallmeßvor richtung als eine Anwendungsform für das stark dämpfende Meßteil nach Fig. 1.

Eine Ultraschallmeßvorrichtung mit einem stark dämpfenden Meßteil, das zur Messung der Schallgeschwindigkeit der Querwelle geeignet ist, wird zuerst unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert, wobei diese Komponente für das Ermitteln des Elastizitätsmoduls des Betons erforderlich ist.

Fig. 2(a) ist ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung eines Bei spiels einer Ausführungsform einer Ultraschallmeßvorrichtung unter Verwendung von stark dämpfenden Meßteilen zum Messen der Schallgeschwindigkeit der Querwelle, wobei mit der Bezugsziffer 11 ein Empfangsmeßteil, mit der Bezugsziffer 12 eine erste Signalwandeleinrichtung, mit 13 eine Signalverarbeitungseinrich tung, mit 14 eine zweite Signalwandeleinrichtung und mit 15 eine Anzeigeeinrichtung, beispielsweise ein Oszilloskop bezeichnet ist.

Bei der in Fig. 2(a) gezeigten Ausführungsform werden stark dämpfende Meßteile mit der Auslegung nach Fig. 1 jeweils als Meßteil 11 für den Empfang und als Meßteil für die Übertragung (nicht gezeigt) eingesetzt. Die erste Signalwandeleinrichtung 12, die ein zeitserielles Signal, das von dem Empfangsmeßteil 11 ausgegeben wird, in ein Frequenzspektrum umwandelt, weist bei spielsweise eine Schnell-Fourier-Transformations(FFT)-Einrich tung auf. Die Signalverarbeitungseinrichtung 13, die eine Signalkomponente in einem gewünschten Frequenzband aus dem Ausgang der ersten Signalwandeleinrichtung 12 ausfiltert, weist einen Tiefpaßfilter auf. Die zweite Signalwandeleinrichtung 14 die ein Frequenzspektrumssignal in ein zeitserielles Signal umwandelt, weist beispielsweise eine inverse Schnell-Fourier- Transformationseinrichtung (IFFT) auf.

Bei der vorstehend beschriebenen Auslegungsform wird ein zeitse rielles Signal, das von dem Empfangsmeßteil 11 abgegeben wird, in ein Frequenzspektrum mit Hilfe der ersten Signalwandelein richtung 12 umgewandelt. Somit erhält man in dem Ausgang der ersten Signalwandeleinrichtung 12 die Querwellenkomponente 19 auf der Niederfrequenzseite und die Längswellenkomponente 20 auf der Hochfrequenzseite, wie dies in Fig. 2(b) gezeigt ist. Der Ausgang der ersten Signalwandeleinrichtung 12 wird an eine Signalverarbeitungseinrichtung 13 angelegt, in der nur die Niederfrequenzkomponente des Ausgangs von der ersten Signalwan deleinrichtung 12 durchgehen kann. Somit erhält man nur die Querwellenkomponente 9, welche die Niederfrequenzkomponente der empfangenen Welle darstellt, als Ausgang der Signalverarbei tungseinrichtung 13, wie dies in Fig. 2(c) gezeigt ist. Der Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 13 wird an die zweite Signalverarbeitungseinrichtung 14 angelegt, in der er in eine zeitserielle Signalform von dem Frequenzspektrumssignal zurück geführt wird, das dann an die Anzeigeeinrichtung 15 angelegt wird. Auf diese Weise ist es möglich, nur die Signalwellenform der Querwellenkomponente 16 der reflektierten Welle zu erhalten, wie dies in Fig. 2(d). gezeigt ist. Daher ist es möglich, die Bewegungsperiode der Querwelle von der angezeigten Wellenform der Querwellenkomponente mit einem hohen Maß an Genauigkeit abzulesen, und man erhält die Schallgeschwindigkeit der durch eine Betonplatte gegangenen Querwelle aus der so gemessenen Bewegungsperiode und der zuvor bestimmten Dicke der Betonplatte.

Es ist noch zu erwähnen, daß die Abszissenachsen in den Fig. 2(b) und 2(c) sich auf die Frequenz beziehen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ultraschallmeßvorrichtung können die Übertragungswelle und die empfangene Welle unter Verwendung der stark dämpfenden Meßteile deutlich unterschieden werden, welche die in Fig. 1 gezeigte Auslegung haben. Zusätz lich kann das mittels des Empfangsmeßteils detektierte Signal gesondert in Längswellenkomponenten und Querwellenkomponenten aufgeteilt werden. Daher ist es möglich, die Bewegungsperiode der Querwelle mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu erfassen.

Obgleich bei der in Fig. 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform die Querwellenkomponente herausgezogen wird, kann natürlich auch in einfacher Weise die Längswellenkomponente dadurch herausgezo gen werden, daß ein Hochpaßfilter als die Signalverarbeitungs einrichtung 13 eingesetzt wird.

Eine Ultraschallmeßvorrichtung mit einem stark dämpfenden Meßteil, das zur Verwendung bei der Messung der Dicke einer Betonplatte und von inneren Hohlräumen mittels der Einzelsonden meßtechnik geeignet ist, wird nachstehend näher unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3(a) ist das Meßteil 22 ein stark dämpfendes, niederfrequentes Längswellenmeßteil, das sowohl für die Abgabe als auch für den Empfang geeignet ist. Die Übertra gungseinrichtung 21 mit variabler Frequenz, welche derart ausgelegt ist, daß die Übertragungsfrequenz variabel ist, ermöglicht eine Änderung der Frequenz der von dem Meßteil 22 übertragenen Ultraschallwelle.

Die Übertragungswelle 24 von dem Meßteil 22 wird in Form eines modulierten Impulses übertragen, wie dies beispielsweise in Fig. 3(b) gezeigt ist, wobei die Impulsbreite der Übertragungswelle verkürzt gezeigt ist. Die vom Boden oder einem inneren Hohlraum einer Betonplatte (nicht gezeigt) reflektierte Welle (25) wird von dem Meßteil 22 empfangen. Das empfangene reflektierte Wellensignal wird an eine Anzeigeeinrichtung 23 angelegt, die beispielsweise ein Oszilloskop aufweist, an dem die Wellenform angezeigt wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Auslegungsform ist die Übertra gungseinrichtung 21 mit variabler Frequenz vorgesehen, um zu ermöglichen, daß das Meßteil 22 einen Ultraschallimpuls über trägt, der eine Freqenz hat, die für das Material des jeweiligen Betons geeignet ist. Daher werden Streuungen und Dämpfungen des Ultraschallimpulses in der zu prüfenden Betonplatte vermieden, welche man bisher bei üblichen Vorrichtungen dieser Art hatte.

Die Einzelmeßteiltechnik bringt die Schwierigkeit mit sich, daß die reflektierte Welle und die Übertragungswelle, wie eingangs angegeben, sich überlagern. Diese Schwierigkeit kommt von der Tatsache, daß die Übertragungswelle von dem üblichen Meßteil eine lange Zeitperiode schwingt. Bei der in Fig. 3(a) gezeigten Ultraschallmeßvorrichtung hingegen schwingt die Übertragungswel le nicht eine lange Zeitperiode, da ein stark dämpfendes Meßteil als das Meßteil 22 vorgesehen ist, das die Auslegung nach Fig. 1 hat. Da zusätzlich die Übertragungswelle 24 in Form eines modulierten Impulses übertragen wird und hierdurch die Impuls breite der Übertragungswelle verkürzt wird, ist es möglich, eine Überlagerung der Übertragungswelle und der reflektierten Welle zu verhindern. Insbesondere läßt sich die Impulsbreite auf etwa 1/100 jener beim Stand der Technik auf einfache Weise unter Verwendung eines stark dämpfenden, niederfrequenten Längswellen meßteils als das Meßteil 22 reduzieren, und zusätzlich wird die Übertragungswelle in Form eines modulierten Impulses anstatt eines üblichen gedämpften Schwingungsimpulses übertragen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Daher ist es möglich, die harmoni sche Komponente zu reduzieren und eine breitbandige Ultraschall welle zu übertragen, die eine einzige Mittenfrequenzkomponente hat. Daher ist es möglich, die Impulsbreite der Übertragungswel le zu verkürzen, und hierdurch läßt sich die Überlagerung von der Übertragungswelle der reflektierten Welle verhindern.

Nachstehend erfolgt die Beschreibung einer Messung eines inneren Hohlraums im Beton, welche mittels der Ultraschallmeßvorrichtung vorgenommen wird, die in Fig. 3(a) gezeigt ist und die ein stark dämpfendes Meßteil hat.

Zuerst wird das Meßteil 22 auf die Oberfläche einer Betonplatte als ein Prüfgegenstand angeordnet. Die Ultraschallimpulse werden mit der Übertragungsfrequenz, die sich ständig von etwa 100 kHz bis etwa 500 kHz durch die Übertragungseinrichtung 21 mit variab ler Frequenz ändert, auf diesen Prüfgegenstand gerichtet, und die reflektierte Welle 25 wird empfangen, um eine Frequenz f₀ zu erhalten, bei der die Echohöhe der empfangenen Welle ein Maximum erreicht.

Dann wird mit der auf f₀ eingestellten Übertragungsfrequenz ein Ultraschallimpuls in die Betonplatte gerichtet, und die reflek tierte Welle vom Boden der Betonplatte und jene von einem inneren Hohlraum in der Platte werden mit Hilfe des Meßteils 22 empfangen. Die Wellenform der empfangenen Welle in beispielhaft in Fig. 3(c) gezeigt. Mit dem Bezugszeichen A in Fig. 3(c) ist die Übertragungswelle und mit dem Bezugszeichen B die reflek tierte Welle vom Boden oder dem inneren Hohlraum bezeichnet. Es ist aus dieser Figur zu ersehen, daß die Übertragungswelle und die reflektierte Welle nicht einander überlagert sind. Wenn man annimmt, daß das Zeitintervall zwischen der Übertragung des Ultraschallimpulses und dem Anstieg der reflektierten Welle B mit T dargestellt ist und die Bezugsgeschwindigkeit der Ultra schallwelle in der Betonplatte bei der Frequenz f₀ die man zuvor erhalten hat, mit V angegeben ist, läßt sich der Abstand D von der Oberfläche der Metallplatte zu dem Boden oder dem inneren Hohlraum, der die Ursache für eine Reflexion ist, aus der folgenden Gleichung ableiten:

D=V×T

Es ist noch zu erwähnen, daß der Bereich, innerhalb dem die Frequenz des Ultraschallimpulses variabel ist, auf entsprechende Weise nach Maßgabe der Eigenschaften des jeweils zu vermessenden Gegenstandes geändert werden kann.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, kann die Ultraschallmeßvorrichtung nach der Erfindung die Übertragungs frequenz des Ultraschallimpulses variieren, und daher wird eine Messung mit einem Ultraschallimpuls ermöglicht, der eine optima le Frequenz hat, die unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweils einzeln zu prüfenden Gegenstandes bestimmt werden kann. Da ein stark dämpfendes, niederfrequentes Längswellenmeß teil verwendet wird und die Übertragungswelle in Form eines modulierten Impulses übertragen wird, ist es möglich, die Zeitperiode zu verkürzen, während der die Übertragungswelle schwingt, und hierdurch lassen sich die Übertragungswelle und die reflektierte Welle zuverlässig voneinander trennen. Somit ist es möglich, die Meßgenauigkeit als einen synergistischen Effekt dieser zweckmäßigen Vorteile zu steigern.

Eine weitere Anwendungsform des stark dämpfenden Meßteils nach der Erfindung wird nachstehend ein Verfahren zum Messen der Druckfestigkeit von Beton unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher erläutert.

Fig. 4(a) zeigt eine Anordnung zum Messen der Druckfestigkeit von Beton mittels der Durchgangsmethode unter Verwendung von stark dämpfenden Meßteilen, wobei mit der Bezugsziffer 31 Beton als Meßgegenstand, mit 32 ein Meßteil zur Übertragung, mit 33 ein Meßteil zum Empfang, mit 34, 35 Koppler, mit 36 ein Oszil loskop, mit 37 eine Steuereinrichtung und mit 38 eine Ausgabe einheit bezeichnet ist.

Auf beiden Seiten des Betons, der im Hinblick auf die Druckfe stigkeit zu messen ist, sind die Meßteile 32 und 33 derart angeordnet, daß sie unter Zwischenlage der zugeordneten Koppler 34 und 35 einander zugewandt sind, die jeweils aus entsprechend geeigneten Materialien bestehen. Wie bei den jeweiligen Übertra gungs- und Empfangsmeßteilen 32 und 33 wird hierbei eine Ausle gung gewählt, bei der ein Meßteil mit einer starken Dämpfung vorgesehen ist, und welches in Fig. 1 gezeigt ist. Da das Übertragungsmeßteil 32 jedoch ein Meßteil mit starker Dämpfung für Längswellen ist, ist die Auslegung derart getroffen, daß die Übertragungsfrequenz variabel ist. Die Dicke D des Betons 31 wurde zuvor in entsprechenden Meßeinheiten, beispielsweise 0,1 mm, mit Hilfe einer weiteren Meßeinrichtung, beispielsweise einer Schublehre, gemessen, wobei der Wert D in die Steuerein richtung 37 eingegeben wurde. Die Steuereinrichtung 37 hat auch zuvor gespeicherte Nullpunktkorrekturwerte für die Längs- und Querwellen. Die Koppler 34 und 35 sind aus dem gleichen Material ausgebildet.

Unter diesen Bedingungen wird ein Ultraschallimpuls der Längs welle zuerst von dem Meßteil 32 abgegeben. Die Impulsbreite, die Modulationsweise und der Modulationsindex des abgegebenen Ultraschallimpulses können in geeigneter Weise gewählt werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform jedoch wird eine Impuls breite von 5 µs angenommen, und als Modulationsart und Modulati onsindex wird sin⁴ angenommen.

Der Ultraschallimpuls von dem Übertragungsmeßteil 32 wird durch den Koppler 34, den Beton 31 und den Koppler 35 übertragen und mittels des Empfangsmeßteiles 33 empfangen. Die empfangene Welle wird am Oszilloskop 36 angezeigt, wie dies schematisch in Fig. 4(b) gezeigt ist. In Fig. 4(b) bezieht sich das Bezugszeichen 39 auf den übertragenen Impuls und 40 auf den empfangenen Impuls, nachdem dieser durch den Beton 31 gegangen ist. In diesem Zustand stellt die Bedienungsperson die jeweiligen Positionen des Übertragungs- und Empfangsmeßteils 32 und 33 sowie die Übertragungsfrequenz derart ein, daß die Amplitude des empfange nen Impulses 40 ein Maximum erreicht. Somit läßt sich eine Ultraschallwelle in einer geeigneten Abstimmung auf das Material des Beton 31 übertragen, und daher kann die Messung unter optimalen Ausbreitungskennwerten der Ultraschallwerte im Beton 31 vorgenommen werden.

Wenn die maximale Amplitude des empfangenen Impulses 40 auf diese Weise eingestellt ist, weist die Bedienungsperson die Steuereinrichtung 37 an, eine Verarbeitung zur Ermittlung der Amplitude Ph_L des empfangenen Impulses 40, der Bewegungsperiode T_L der Längswelle durch den Beton 31, die Schallgeschwindigkeit V_L der Längswelle im Beton 31 und die Empfangsfrequenz Rf_L der Längswelle durchzuführen.

Die Amplitude Ph_L des empfangenen Impulses 40 läßt sich von einem Dämpfungsglied (nicht gezeigt) eines Ultraschallfließdetektors (nicht gezeigt) ablesen. Die Bewegungsperiode T_L der Längswelle erhält man durch Subtraktion des Längswellennullpunktkorrektur werts T_L0 von dem Zeitintervall zwischen der Übertragung des Ultraschallimpulses 39 und dem Anstieg des empfangenen Impulses 40. Insbesondere ist es zur Bestimmung der Druckfestigkeit des Betons 31 erforderlich, eine Zeitperiode T_L zu erhalten, welche der Ultraschallimpuls für den Durchgang durch den Beton 31 benötigt. In diesem Fall jedoch umfaßt die Bewegungsperiode, die man aus der in Fig. 4(b) gezeigten Wellenform erhält, nicht nur die Bewegungsperiode durch den Beton 31, sondern auch jene Zeit, welcher der Ultraschallimpuls benötigt, um durch die Koppler 34 und 35 zu gehen. Daher ist es erforderlich, die Bewegungszeitpe riode unter Berücksichtung der Koppler 34 und 35 von der Gesamt bewegungszeit abzuziehen.

Nach dem Erhalt der Bewegungszeitperiode T_L der Längswelle auf diese Weise ermittelt die Steuereinrichtung 37 die Schallge schwindigkeit V_L der Längswelle nach Maßgabe der folgenden Gleichung (1):

V_L=D/T_L (1)

Die Längswellenempfangsfrequenz Rf_L erhält man dadurch, daß der empfangene Impuls 40 in eine Signalanalysiereinrichtung (nicht gezeigt) eingegeben wird und das Analysenergebnis ausgelesen wird.

Die Empfangslängswellenimpulsamplitude Ph_L(dB), die Längswellen schallgeschwindigkeit V_L(m/s)und die Längswellenempfangsfrequenz Rf_L(kHz), welche man hierbei erhält, werden in der Steuereinrich tung 37 zwischengespeichert.

Nachdem man auf diese Weise die Ultraschallwelleninformation betreffend die Längswelle erhalten hat, wird das Übertragungs meßteil 32 durch ein stark dämpfendes Meßteil für die Querwellen ersetzt, welches derart ausgelegt ist, daß die Übertragungsfre quenz variabel ist, um Ultraschallinformationen betreffend die Querwelle zu erhalten, d. h. die Empfangsquerwellenimpulsampli tude Ph_S(dB), die Querwellenschallgeschwindigkeit V_S(m/s) und die Querwellenempfangsfrequenz Rf_S(kHz), wobei dieselbe Technik wie zuvor beschrieben angewandt wird. Die erhaltenen Ultraschallin formationen werden dann in der Steuereinrichtung 37 gespeichert. Um diese Ultraschallwelleninformationen betreffend die Querwelle zu erhalten, wird die Wellenform der empfangenen Querwelle in eine Signalanalysiereinrichtung eingegeben, und dann wird sie in einem Frequenzspektrum beispielsweise mit Hilfe einer Schnell- Fourier-Transformationseinrichtung umgewandelt, und dann erfolgt dieselbe Verarbeitung wie bei der Längswelle.

Nachdem man die Ultraschallwelleninformationen betreffend die Längswellen und die Querwellen auf diese Weise erhalten hat, ermittelt die Steuereinrichtung 37 die gemessene Druckfestigkeit σ_U(kg/cm²) des Betons 31 nach Maßgabe der folgenden Gleichung (2) und das Ergebnis wird zu einer Ausgabeeinheit 38 ausgegeben, die eine Kathodenstrahlröhre CRT, einen Drucker oder dgl. aufweist.

σ_U=0,37V_L+0,53V_S-0,28Rf_L+0,05Rf_S+3,24Ph_L-0,11Ph_S-2723,3 (2)

Die Gleichung (2) wurde aufgrund der Resultate von verschiedenen Experimenten entwickelt. Es hat sich bestätigt, daß die Meßfeh ler bei der basierend auf der Gleichung (2) erhaltenen Druckfe stigkeit innerhalb eines Bereiches von ± 25 kg/cm² liegen.

Bei den voranstehenden Ausführungen erhält man die Zeit, welche die Ultraschallwelle benötigt, um durch den Koppler zu gehen, d. h. den Nullpunktkorrekturwert, durch eine entsprechend in Fig. 4(c) gezeigte Anordnung. Insbesondere wird ein normales Längswellenmeßteil 42 unter einem Druck bei der tatsächlichen Messung auf einer Fläche eines Bezugsprüfstücks 41 angeordnet, das aus einem entsprechend geeigneten Material hergestellt wird, wobei ein Koppler 43 dazwischen angeordnet ist, der dasselbe Material wie bei der tatsächlichen Messung hat, und dann wird eine Ultraschallwelle von dem Meßteil 42 abgegeben. Als Folge hiervon erhält man an einem Oszilloskop (nicht gezeigt) einen übertragenen Impuls 44 und zwei reflektierte Wellen B₁ und B₂, wie dies in Fig. 4(d) gezeigt ist. Es ist noch zu erwähnen, daß die Position es normalen Längswellenmeßteils 42 und die Übertra gungsfrequenz des Ultraschallrißdetektors bereits derart abge stimmt sind, daß die Amplitude der reflektierten Welle ihr Maximum erreicht.

In Fig. 4(d) ist mit dem Bezugszeichen B₁ eine erste empfangene Welle, d. h. die Ultraschallwelle, die von dem Meßteil 42 abgegeben und von diesem empfangen wurde, nachdem sie einmal an der anderen Fläche des Bezugsprüfstücks 41 reflektiert wurde, bezeichnet, und mit B₂ ist eine zweite empfangene Welle bezeich net, d. h. die Ultraschallwelle, die nach einer zweimaligen Reflexion im Innern des Bezugsprüfstücks 41 empfangen wurde. Inbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 4(e) ist B₁ die reflektier te Welle der Ultraschallwelle, die von dem Punkt P₀ abgegeben wurde, an dem Punkt P₂ reflektiert wurde und an dem Punkt P₃ empfangen wurde. P₂ ist die reflektierte Welle von dem Punkt P₂, der an dem Punkt P₄ an der Grenzfläche zwischen dem Bezugsprüf stück 41 und dem Koppler 43 nochmals reflektiert wurde, die sich über die Punkte P₅ und P₆ ausgebreitet hat und dann an dem Punkt P₇ empfangen wurde. Wenn man daher animmt, daß das Zeitintervall zwischen der Übertragung des Ultraschallimpulses und dem Anstieg der ersten reflektierten Welle B₁ mit T₁ bezeichnet ist, und das Zeitintervall zwischen der Übertragung des Ultraschallimpulses und dem Anstieg der zweiten reflektierten Welle B₂ mit T₂ be zeichnet ist, erhält man die Bewegungszeitperiode T_LO, die die Ultraschallwelle für ihre Bewegung durch den Koppler 43 vor und zurück benötigt, aus der folgenden Gleichung (3), wobei T_L0 der Nullpunktskorrekturwert für das normale Längswellenmeßteil ist.

T_{L 0}=2T₁-T₂ (3)

Nachdem man auf diese Weise den Nullpunktskorrekturwert T_L0 für das normale Längswellenmeßteil erhalten hat, erhält man den Nullpunktskorrekturwert T_S0 für das normale Querwellensondenteii auf dieselbe Weise, und dieser Wert wird in der Steuereinrich tung 37 gespeichert.

Da somit das übliche Einzelimpuls-Erregersystem durch ein System ersetzt ist, das derart ausgelegt ist, daß sich die Übertra gungsfrequenz variieren läßt, ist es möglich, die Übertragung und den Empfang einer Ultraschallwelle so zu verwirklichen, daß man geeignet auf das Material des jeweiligen Betons abgestimmte Werte erhält, und folglich lassen sich die Ausbreitungscharakte ristika der Ultraschallwelle im Beton verbessern und optimieren. Da ferner ein stark dämpfendes Meßteil anstelle des üblichen, freischwingenden Meßteils eingesetzt wird, ist es nicht nur möglich, ein jeweils erforderliches Rißsignal oder dgl. auf einfache Weise zu unterscheiden, sondern die Ultraschallinforma tionen lassen sich leicht auswerten, was bisher schwierig war. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Ausbreitungsge schwindigkeit in einem Prüfgegenstand, die Empfangsfrequenz, die Amplitude des empfangenen Impulses usw.

Obgleich im Hinblick auf die Messung der Druckfestigkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Längswelle alleine bisher berücksichtigt wurde, erhält man bei der Erfindung die Ausbrei tungsgeschwindigkeit, die Empfangsfrequenz und die Amplitude des empfangenen Impulses jeweils für die Längswellen und die Quer wellen, und die Druckfestigkeit wird unter Nutzung dieser sechs unterschiedlichen Arten von Ultraschallinformationen bestimmt. Daher lassen sich Meßfehler beträchtlich von etwa ± 100 kg/cm² auf ± 25 kg/cm² reduzieren.

Als eine weitere Anwendungsform des hochdämpfenden Meßteils nach der Erfindung wird nachstehend ein Ultraschallmeßverfahren unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert, welches für die Messung der Dicke einer Betonkonstruktion geeignet ist.

Fig. 5(a) ist eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung eines Verfahrens zum Messen der Dicke einer Betonkonstruktion mittels der Ultraschallimpulsreflexionsmethode, wobei mit dem Bezugszei chen 51 ein im Hinblick auf die Dicke zu messender Gegenstand, mit 52 ein Meßteil für die Übertragung und den Empfang, mit 53 ein Koppler, mit 54 eine Steuereinrichtung, mit 55 eine Ausgabe einheit und mit 56 ein Oszilloskop bezeichnet ist.

Das Meßteil 52 ist ein übliches, stark dämpfendes Niederfre quenzlängswellenmeßteil, welches die Fähigkeit hat, sowohl eine Ultraschallwelle abzugeben als auch zu empfangen, welches derart ausgelegt ist, daß die Übertragungsfrequenz variabel ist. Die Steuereinrichtung 54 führt nicht nur verschiedene Arten von Ermittlungen zur Messung der Dicke eines Gegenstands auf die nachstehend beschriebene Weise aus, sondern sie steuert auch den gesamten betreffenden Ultraschallwellenrißdetektor. Die Ausgabe einheit 55 weist eine geeignete Anzeigeeinrichtung, wie bei spielsweise eine Kathodenstrahlröhre (CRT) oder einen Drucker auf.

Bei dem Dickenmeßverfahren wird ein einziges Meßteil 52 in Kontakt mit der Oberfläche des Gegenstands 51 unter Zwischen schaltung des Kopplers 53 gebracht. Die normale Ultraschallängs welle, die von dem Meßteil 52 abgegeben und von der anderen Fläche des Gegenstandes 51 reflektiert wird, wird mittels der Meßeinrichtung 52 empfangen und an dem Oszilloskop 56 angezeigt. Fig. 5(b) ist ein Diagramm zur Verdeutlichung der Wellenform, die auf dem Oszilloskop 56 angezeigt wird, wobei mit dem Bezugs zeichen 57 die Übertragungswelle und mit dem Bezugszeichen 58 die empfangene Welle bezeichnet ist.

In diesem Zustand stellt die Bedienungsperson die Übertragungs frequenz und weitere Einflußgrößen derart ein, daß die Höhe der reflektierten Welle ein Maximum erreicht, wenn diese am Oszil loskop 56 angezeigt wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine Ultraschallwelle einzusetzen, welche eine Frequenz hat, die für das Material des Prüfgegenstands 51 zweckmäßig ist, und daher lassen sich die Ausbreitungscharakteristika der Ultraschallwelle im Gegenstand 51 günstiger gestalten.

Wenn die Höhe der reflektierten Welle ihr Maximum erreicht, sucht die Steuereinrichtung 54 die reflektierte Welle aus und analysiert sie, um das Zeitintervall zwischen der Übertragung der Ultraschallwelle und dem Anstieg der reflektierten Welle zu ermitteln. Die Steuereinrichtung subtrahiert dann den zuvor erhaltenen Nullpunktskorrekturwert von dem hierbei erhaltenen Intervall, um den Bewegungszeitraum T der Ultraschallwelle zu bestimmen, den diese benötigt, um durch den Gegenstand 51 zu gehen. Dann ermittelt die Steuereinrichtung 54 die Dicke D des Gegenstands 51 aus der Bewegungsperiode T und der Bezugsschall geschwindigkeit V in dem Gegenstand 51, die man zuvor bestimmt hat, und zwar nach Maßgabe der Gleichung (4), und diese Größe wird an die Ausgabeeinheit 55 abgegeben.

D=V×T/2 (4)

Auf diese Weise erhält man die Dicke des Gegenstands 51. Es ist noch zu erwähnen, daß man den Nullpunktskorrekturwert auf dieselbe Weise wie im Zusammenhang mit den Fig. 4(c) bis 4(e) erläutert erhält. Die Bezugsschallgeschwindigkeit wird auf die nachstehend beschriebene Weise gemessen.

Wie sich aus der vorstehenden Gleichung (4) ergibt, ist es zum Ermitteln der Dicke des Gegenstandes 51 erforderlich, die Bezugsschallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem Gegen stand 51 zuvor zu messen. Die Schallgeschwindigkeit wird auf die nachstehend beschriebene Weise gemessen. Wie in Fig. 5(c) gezeigt ist, werden ein Meßteil 59 zur Übertragung und ein Meßteil 60 zum Empfang an einem geeigneten und unbeschädigten Teil des Gegenstands 51 angebracht, und der Mittenabstand S zwischen den beiden Meßteilen 59 und 60 wird auf einen vorbe stimmten Wert von beispielsweise 70 mm eingestellt. Es ist noch zu erwähnen, daß als Meßteile 59 und 60 ein Meßteil verwendet wird, das auf die gleiche Weise wie jenes ausgelegt ist, das zur Messung nach Fig. 5(a) genutzt wird, d. h. ein Meßteil, das die Fähigkeit hat, sowohl Längswellen zu übertragen als auch zu empfangen. Die Längsultraschallwelle, die von dem Meßteil 59 abgegeben wird, breitet sich durch den Gegenstand 51 aus und von dem Meßteil 60 empfangen. Somit werden Wellenformen auf dem Oszilloskop (nicht gezeigt) angezeigt, die beispielsweise in Fig. 5(d) gezeigt sind. In dieser Figur ist mit 61 der übertra gene Impuls, mit 62, 63 und 64 sind die ersten, zweiten und dritten empfangenen Wellen jeweils bezeichnet. Es ist noch zu erwähnen, daß die Übertragungsfrequenz des Ultraschallrißdetek tors immer derart abgestimmt ist, daß die Höhe der ersten empfangenen Welle ihr Maximum erreicht.

Die so erhaltene empfangene Welle wird dann in eine Signalanaly siereinrichtung (nicht gezeigt) eingegeben, um das Zeitintervall zwischen der Übertragung der Ultraschallwelle und dem Anstieg der ersten empfangenen Welle 62 zu ermitteln, und der Null punktskorrekturwert wird von der erhaltenen Zeit abgezogen, um die Bewegungsperiode t₇₀ der Längswellenbewegung durch den Gegenstand 51 zu bestimmen. Dann erhält man die Schallgeschwin digkeit V₇₀ der Längswelle bei S=70 mm gemäß der folgenden Glei chung (5):

V₇₀=S/t₇₀ (5)

Die vorstehend angegebene Messung der Schallgeschwindigkeit der Längswelle wird auf ähnliche Weise, aber bei unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt, gemäß denen der Mittenabstand S 80 mm und 90 mm jeweils beträgt, und ein Mittelwert V_av der Längswel lenschallgeschwindigkeiten wird unter Verwendung der so erhalte nen Schallgeschwindigkeiten V₇₀, V₈₀ und V₉₀ nach Maßgabe der folgenden Gleichung (6) ermittelt und dann in der Steuereinrich tung 54 gespeichert, wobei der Mittelwert V_av die Bezugsschallge schwindigkeit ist.

V_av=(V₇₀+V₈₀+V₉₀)/3 (6)

Es hat sich bestätigt, daß die Meßfehler für die auf die vor stehend beschriebene Weise ermittelte Dicke des Betons innerhalb des Bereiches von ± 10 mm lag.

Ein Verfahren zum Messen der Dicke des Betons unter Verwendung des stark dämpfenden Meßteiles ermöglicht somit, daß die Über tragungsfrequenz variabel ist, und daher ist es möglich, die Übertragung und den Empfang einer Ultraschallwelle so abzustim men, daß man geeignete Werte für die Materialien des jeweils zu prüfenden Gegenstands, beispielsweise Beton, erhält. Auch lassen sich die Ausbreitungscharakteristika der Ultraschallwelle im Gegenstand verbessern. Daher wird es möglich, Dickenmessungen bis zu einer Dicke von etwa 500 mm durchzuführen. Obgleich die üblichen Meßteile für Beton keine Niederfrequenzdämpfungseinric htung haben, hat das stark dämpfende Meßteil nach der Erfindung einen Niederfrequenzdämpfer, der am Mantel angebracht ist, und daher erhält man eine deutliche Unterscheidung des jeweils geforderten Signals. Zusätzlich erfolgt die Dickenmessung mittels der Reflexionsmethode unter Verwendung eines einzigen Längswellenmeßteils anstelle der üblichen Doppelmeßteiltechnik, die in sonst üblicher Weise angewandt wird. Daher treten die Schwierigkeiten nicht auf, die man bisher im Hinblick auf die Anordnung der Meßteile kannte. Daher ist es möglich, das Meßver fahren zu vereinfachen, und es läßt sich die Dicke des Gegen standes auf einfache und genaue Weise messen. Da die Messung der Bezugsschallgeschwindigkeit mit Hilfe der Oberflächenabtast methode auf einer Seite des Gegenstandes vorgenommen wird, ist es möglich, die Bezugsschallgeschwindigkeit und die Dicke selbst bei einem Gegenstand mit keiner Öffnung zu messen.

Ferner liegen Meßfehler in dem Bereich von ± 10 mm, und die Meßgenauigkeit ist daher höher als im Falle der üblichen Meß methode.

Obgleich bei den voranstehenden bevorzugten Ausführungsformen Beton als Prüfgegenstand angeführt wird, braucht es sich nicht notwendigerweise um Beton zu handeln, sondern Holz, faserver stärkte Kunststoffe (FRP) usw. können ebenfalls als Prüfgegen stände dienen.

Claims

1. Stark dämpfendes Meßteil, gekennzeichnet durch einen Wandler (3), der einen daran angebrachten Niederfrequenz dämpfer (4) hat.

2. Ultraschallmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch:
ein Übertragungsmeßteil, das von einem stark dämpfenden Meßteil gebildet wird, das einen Wandler mit einem daran angebrachten Niederfrequenzdämpfer enthält,
eine Empfangsmeßteil (11), das von einem stark dämpfenden Meßteil gebildet wird, das einen Wandler (3) mit einem daran angebrachten Niederfrequenzdämpfer (4) enthält,
eine erste Signalwandeleinrichtung (12) zum Umwandeln des Ausgangs des Empfangsmeßteiles (11) in ein Frequenzspek trum,
eine Signalverarbeitungseinrichtung (13) zum Extrahieren einer gewünschten Frequenzkomponente aus dem Ausgang der ersten Signalwandeleinrichtung (12),
eine zweite Signalwandeleinrichtung (14) zum Umwandeln des Ausgangs der Signalverarbeitungseinrichtung (13) in ein zeitserielles Signal, und
eine Anzeigeeinrichtung (15) zur Anzeige des Ausgangs der zweiten Signalwandeleinrichtung (14).

3. Ultraschallmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch:
ein stark dämpfendes Niederfrequenzmeßteil für Longitudinalwellen (22), das von einem stark dämpfenden Meßteil gebildet wird, das einen Wandler (3) und einen daran angebrachten Niederfrequenzdämpfer enthält und einen Ultraschallim puls in Form eines modulierten Impulses abgibt und empfängt,
eine Übertragungseinrichtung (21) mit variabler Frequenz zum kontinuierlichen Veränderen der Übertragungsfrequenz des Ultraschallimpulses, und
eine Anzeigeeinrichtung (23) zur Anzeige der Wellenform eines Signals, das mittel des stark dämpfenden Nieder frequenzmeßteil für Longitudinalwellen (22) empfangen wurde.